đây, lực điện từ (FđtC) có giá trị lớn sẽ buộc lõi sắt dừng lại và chuyển động
ngƣợc lại (xem hình 2.10). Cứ nhƣ vậy lõi sắt sẽ đƣợc chuyển động một cách tuần hoàn, liên tục.
Vậy vấn đề đặt ra ở đây là trong quá trình vận hành, khi lõi sắt chuyển động từ điểm A đến điểm B, theo qn tính nó sẽ tiếp tục đến điểm C nhƣng cũng bắt đầu từ điểm B lõi sắt đã bị tác động của lực điện từ tác động kéo ngƣợc trở lại, vì vậy lõi sắt sẽ chuyển động chậm dần về điểm C, điều này cũng đồng nghĩa rằng tại điểm B vận tốc của lõi sắt đạt giá trị lớn nhất. Vì thế để khai thác tối ƣu cơng năng của cơ cấu, vị trí va đập sẽ phải là vị trí ở gần điểm B nhất, điều này cũng đã đƣợc tác giả Nguyễn Văn Dự đề cập đến [3] với phƣơng án chọn vị trí va đập tại điểm B, nguồn điện
đƣợc cung cấp vào cơ cấu một cách gián đoạn với tần số đƣợc điều chỉnh sao cho phù hợp với quá trình vận hành của lõi sắt. Với nguyên lý khi lõi sắt đến điểm va đập B nguồn điện sẽ bị cắt, một lò xo mềm sẽ làm nhiệm vụ đƣa lõi sắt trở về vị trí xuất phát A, nguồn điện sẽ lại đƣợc đóng để lực điện từ kéo lõi sắt vào điểm va đập B. Nhƣ vậy lõi sắt sẽ đƣợc chuyển động tuần hoàn, liên tục.
2.4.2. Thử nghiệm dùng cảm biến cấp nguồn và lò xo hỗ trợ
Từ ý tƣởng này, phƣơng án về một cơ cấu tƣơng tự đã đƣợc đề xuất, nhƣng việc cung cấp nguồn điện một cách gián đoạn sẽ đƣợc đảm nhiệm bởi một bộ sensơ cảm biến vị trí và nó sẽ vận hành theo nguyên lý là khi lõi sắt ở tại vị trí xuất
phát A sensơ cảm biến tại điểm này sẽ đóng điện để lực điện từ của ống dây kéo lõi
A
Fd t
B
Flòxo
sắt về điểm va đập B, một sen sơ cảm biến
Hình 2.11. Hành trình chuyển động của lõi sắt trong phương án đưa lò xo vào cơ cấu
tại vị trí này sẽ ngắt nguồn điện cấp cho cơ cấu, lõi sắt sau khi va đập sẽ đƣợc kéo trở về vị trí xuất phát bằng một lị xo mềm, khi về đến vị trí điểm xuất phát A sensơ cảm biến tại điểm này sẽ đóng. Cứ nhƣ vậy lõi sắt sẽ đƣợc chuyển động một cách tuần hồn, liên tục (xem hình 2.11).
Với phƣơng án này, ƣu điểm về kết cấu nhỏ gọn đã đƣợc đáp ứng, vị trí va đập sẽ đƣợc đặt tại điểm có thể đạt đƣợc giá trị lực tối đa. Nhƣng để lõi sắt trở về đƣợc vị trí xuất phát cần phải có một lị xo liên kết giữa lõi sắt với khung hệ thống, và vấn đề kèm theo khi đặt lò xo vào cơ cấu là trong q trình lõi sắt dịch chuyển từ vị trí A đến vị trí B lực kéo của chính lị xo
này sẽ làm giảm vận tốc của lõi sắt. Ngoài ra, việc thiết kế, chế tạo hệ thống định vị và liên kết của lò xo này khá phức tạp, việc lựa chọn vật liệu đảm bảo yêu cầu kỹ thuật mà không làm ảnh hƣởng đến lực điện từ của ống dây cũng rất khó khăn.
2.4.3. Thử nghiệm sử dụng hai ống dây nối tiếp
Để khắc phục nhƣợc điểm này một phƣơng án khác đã đƣợc đặt ra, thay vì dùng lị xo để kéo lõi sắt trở về vị trí xuất phát ta có thể lắp đặt thêm một bộ ống dây khác (xem hình 2.12). Ống dây này đƣợc lắp đặt sao cho đƣờng tâm của lõi sắt của cả hai ống phải trùng nhau và một bộ sensơ cảm biến vị trí sẽ làm nhiệm vụ điều khiển nguồn điện cấp cho ống dây này để khi lõi sắt của ống dây thứ nhất đến vị trí B ống dây thứ hai sẽ
đƣợc đóng điện để (Fđt2) kéo lõi sắt của ống dây thứ hai từ vị trí B’ về đến
vị trí A’ thì ngắt điện. Vì hai lõi sắt đƣợc nối cứng với nhau và khoảng cách AB = A’B’, khi lõi sắt của ống dây thứ hai đến vị trí A’ thì lõi sắt của ống dây thứ nhất đến vị trí A cũng là lúc ống dây thứ nhất đƣợc đóng
điện để (Fđt1) đƣa lõi sắt về vị trí B. Liên tục nhƣ vậy ta có hệ ống dây
chuyển động tuần hồn.
2 1
B' A' A B
Fd t2 Fd t1
Hình 2.12. Hành trình chuyển động của lõi thép theo phương án hai ống dây nối tiếp
Ở phƣơng án này bài toán về lực đã đƣợc giải quyết rất tốt, bởi lực cản duy nhất còn tồn tại là lực ma sát trƣợt giữa lõi sắt và ống dây. Bù lại, lực va đập của lõi đƣợc tăng lên khi có thêm khối lƣợng lõi sắt của ống dây thứ hai (F=m.a). Tuy nhiên, sau khi chế tạo, lắp đặt và vận hành thử thì thấy rằng. Ở phƣơng án này, ƣu điểm vƣợt trội của cơ cấu rung - va đập mới là kết cấu nhỏ gọn đã bị ảnh hƣởng rất nhiều bởi việc lắp thêm vào cơ cấu một ống dây. Ngoài ra, việc căn chỉnh khi lắp đặt và điều khiển cho hệ ống dây này hoạt động tốt cũng khá phức tạp.
2.4.4. Thử nghiệm dùng cảm biến cắt nguồn theo vị trí
Một phƣơng án chuyên về điều khiển cũng đã đƣợc đặt ra nhằm khắc phục nhƣợc điểm của các phƣơng án trên. Vì lực ma sát trƣợt giữa lõi sắt và ống dây là rất nhỏ, ta có thể dịch chuyển vị trí va đập của lõi sắt tại điểm có vận tốc lớn nhất (điểm B) đến điểm B’ và đặt các sensơ cảm biến vị trí tại các điểm A, B và B’ sao cho khi lõi sắt ở vị trí xuất phát A sensơ cảm
biến vị trí A sẽ đóng nguồn điện cho ống dây để (FđtA) làm nhiệm vụ kéo
lõi sắt về B (xem hình 2.13). Tại đây sensơ cảm biến vị trí B sẽ ngắt điện,
FqtA sẽ đƣa lõi sắt lao đến điểm va đập B’. Cũng tại vị trí này sensơ cảm
biến vị trí B’ sẽ đóng điện để lực điện từ (FđtB’) của ống dây đƣa lõi sắt trở
về B và ngắt điện. lõi sắt sẽ
đƣợc lực quán tính FqtB’ đƣa
về vị trí xuất phát A và sensơ A B B'
cảm biến vị trí A lại tiếp tục
đóng nguồn điện để (FđtA) kéo
lõi sắt về B. Cứ nhƣ vậy lõi Fd tA
FqtB'
FqtA
Fd tB'
sắt sẽ đƣợc chuyển động một cách tuần hồn, liên tục.
Hình 2.13. Q trình chuyển động của lõi sắt ở phương án điều khiển hành trình
Ƣu điểm lớn nhất của phƣơng án này là cơ cấu vẫn giữ đƣợc kết cấu nhỏ gọn, lực va đập vẫn đạt đƣợc giá trị gần tối đa vì lực cản là lực ma sát trƣợt giữa lõi sắt và ống dây là rất nhỏ. Tuy nhiên, sau khi đã chế tạo và vận hành thử thì vấn đề gặp phải là với tốc độ dịch chuyển của lõi sắt khá lớn và với khoảng cách giữa các lần đóng ngắt dịng điện cấp cho cơ cấu là rất ngắn nên không đủ thời gian để cơ cấu hoạt động ổn định.
2.4.5. Khai thác rung động của ống dây
Về cơ bản, nguyên lý chuyển động của cơ cấu rung - va đập mới này là dựa trên lực điện từ sinh ra trong ống dây sẽ làm cho lõi sắt có thể chuyển động tƣơng đối so với chính ống dây đó. Theo Định luật III Newton, khi ống dây sinh một lực có xu hƣớng kéo lõi sắt về phía nó thì lõi sắt cũng sinh một lực để chống lại lực kéo của ống dây. Điều này cũng có nghĩa rằng chính lõi sắt cũng có thể làm cho ống dây chuyển động nếu ta có thể giảm thiểu đƣợc lực cản chống lại chuyển động đó. Vì thế, để khai thác chuyển động của ống dây ta cần có một cơ cấu đảm bảo sao cho ma sát trong chuyển động là bé nhất. Ngồi ra, nó cịn phải đảm nhiệm vai trị dẫn hƣớng cho chuyển động này.
Chuyển động của ống dây trong thực nghiệm sơ bộ đã cho thấy ống dây luôn chuyển động ngƣợc pha với lõi sắt và là một dao động liên tục. Thử nghiệm cho ống dây va đập với một vật cản đã cho thấy kết quả sơ bộ rất khả quan. Từ nhận định này, một cơ cấu hoàn chỉnh đã đƣợc thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm. Cơ cấu mới đã thể hiện nhiều ƣu việt so với cơ cấu cũ. Thông tin chi tiết về cơ cấu mới sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 3.
2.5. Kết luận
Chƣơng này đã trình bày các thơng tin tổng quan về các cơ cấu rung - va đập đã có. Qua phân tích ngun lý làm việc của cơ cấu RLC-07, bốn khả năng cải tiến đã đƣợc đề xuất và thử nghiệm. Kết quả cho thấy, hƣớng khai thác rung động của ống dây là khả thi nhất.
Chương 3
CƠ CẤU RUNG VA ĐẬP MỚI
3.1. Giới thiệu
Chƣơng này trình bày về ngun lý làm việc, mơ hình và các bƣớc tiến hành thiết kế, chế tạo cơ cấu rung va đập mới RLC-09. Thiết bị và sơ đồ thí nghiệm để khảo sát các đặc tính của hệ thống sẽ đƣợc mô tả cụ thể. Các thiết bị đo và cách thức tiến hành thí nghiệm khảo sát động lực học và lợi ích của cơ cấu mới cũng đƣợc trình bày chi tiết.
Cơ cấu rung va đập mới đƣợc thiết kế dựa trên nguyên lý cộng hƣởng điện trong mạch Điện trở - Điện cảm - Điện dung mắc nối tiếp (RLC). Mặc dù cũng khai thác lực điện từ sinh ra khi cộng hƣởng điện nhƣ trong cơ cấu rung va đập RLC, giới thiệu bởi tác giả Nguyễn Văn Dự năm 2007 [3] (RLC-07), nhƣng cơ cấu mới này (RLC-09) khai thác rung động của ống dây thay vì của lõi sắt, và do vậy, có kết cấu và nguyên lý va đập khác.
Để thuận tiện cho việc so sánh với cơ cấu cũ RLC-07, cơ cấu mới đã đƣợc thiết kế với kích thƣớc hồn tồn tƣơng tự nhƣng có ống dây chuyển động tự do, đƣợc kết nối với thân máy thông qua hệ lò xo nhằm khai thác cộng hƣởng cơ học của hệ thống. Lực điện từ tƣơng tác giữa ống dây và lõi sắt gây dao động tuần hoàn của cả ống dây so với giá và của lõi sắt so với ống dây, tạo thành hệ dao động hai bậc tự do. Cơ cấu chặn đặt ở một phía nhận động năng dao động của ống và chuyển thành lực va đập. Khảo sát cho thấy cơ hệ mới có nhiều tính năng vƣợt trội so với phiên bản RLC-07.
Base board
Phần tiếp theo, phần 3.2. sẽ trình bày chi tiết về nguyên lý làm việc của cơ cấu mới. Các bƣớc thiết kế và chế tạo cơ cấu rung - va đập mới đƣợc trình bày ở phần 3.3. Phần 3.4. trình bày về các thiết bị đo kiểm, thu thập dữ liệu đƣợc sử dụng trong thí nghiệm. Quy trình lắp đặt, vận hành thiết bị thí nghiệm trình bày tại phần 3.5. Phần cuối cùng của chƣơng, phần 3.6. sẽ tóm tắt các kết luận chính.
3.2. Ngun lý làm việc
Mơ hình cơ cấu rung RLC-09 cũng dựa trên hiện tƣợng cộng hƣởng điện trong mạch RLC (xin xem lại phần 2.3). Tuy nhiên, ống dây không đƣợc cố định nhƣ trong RLC-07. Thay vào đó, ống dây đƣợc gắn trên bốn bánh xe có khả năng lăn tự do trên hai đƣờng ray dẫn hƣớng. Do vậy, cả lõi sắt và ống dây đều có khả năng chuyển động tự do. Lực điện từ tác dụng tƣơng hỗ giữa ống dây và lõi sắt làm cho cả ống dây và lõi chuyển động nhƣng ngƣợc pha nhau. Lực va đập thu đƣợc từ chuyển động và va đập của ống dây với chốt chặn (xem hình 3.1).
Cuộn cảm C R VS L Lõi sắt Lị xo Chốt chặn Tấm trượt